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Augsburger Physikern gelingt es in enger Zusammenarbeit mit Forschern der University of Michigan (USA) erstmals experimentell und theoretisch nachzuweisen, dass sich der Wärmetransport durch Moleküle durch den Austausch eines einzigen Atoms um bis zu einen Faktor zwei verändern kann. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege zur gezielten Kontrolle von Wärmeströmen auf atomarer Ebene und sind von Bedeutung für die Weiterentwicklung nanoelektronischer Bauteile, thermoelektrischer Materialien und metallorganischer Gerüstverbindungen. Die Studie wurde in der höchst renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Die gezielte Kontrolle von Wärmetransport in Nanostrukturen ist für zahlreiche moderne Technologien von zentraler Bedeutung – von leistungsstarken Computerchips, die gekühlt werden müssen, bis hin zu Energiewandlern – und ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet. Während in den vergangenen Jahren große Fortschritte beim Verständnis erzielt wurden, wie sich Wärmetransport durch Nanostrukturierung beeinflussen lässt, war bislang ungeklärt, ob bereits der Austausch eines einzigen Atoms in einem Molekül den Phononentransport – also den Wärmetransport durch Gitterschwingungen – messbar verändern kann. In einer neuen Studie zeigt ein internationales Forscherteam aus Augsburg und Ann Arbor (Michigan, USA) nun, dass dies tatsächlich möglich ist. Im Zentrum der Untersuchung stehen sogenannte Einzelmolekülkontakte, bei denen ein einzelnes Molekül zwei Goldelektroden verbindet – die kleinsten denkbaren thermischen Bauelemente.
Systematische Variation durch Halogensubstitution
Ausgangspunkt der Studie ist das sogenannte Benzoldiamin (BDA). Das Molekül besteht aus einem Benzolring – einem der elementaren Bausteine der organischen Chemie – sowie zwei Stickstoffgruppen, den Aminogruppen, die eine gezielte Kontaktierung durch Goldelektroden ermöglichen. An dem Benzolring wurde systematisch ein einzelnes Wasserstoffatom durch immer schwerere Halogenatome ersetzt: Fluor, Chlor, Brom und Iod. Während sich die elektrische Leitfähigkeit dieser molekularen Kontakte durch die Substitution kaum verändert, zeigen die Messungen einen klaren Trend beim Wärmetransport: Je schwerer das eingesetzte Atom, desto geringer der thermische Leitwert. Der Unterschied zwischen dem unsubstituierten Molekül und der iodsubstituierten Variante beträgt dabei nahezu einen Faktor zwei.
„Dass einzelne Atome den Wärmetransport so stark beeinflussen, während der Ladungstransport praktisch unverändert bleibt, eröffnet die faszinierende Möglichkeit, Wärme und elektrischen Strom in molekularen Materialien unabhängig voneinander zu steuern", sagt Prof. Dr. Fabian Pauly, dessen Theoriegruppe am Institut für Physik der Universität Augsburg die Grundlagen dieser Beobachtungen aufgeklärt hat.
Neuartige Theorie erklärt die Mechanismen
Die Studie baut auf einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der Theoriegruppe von Prof. Fabian Pauly an der Universität Augsburg und den experimentellen Arbeitsgruppen von Prof. Edgar Meyhofer und Prof. Pramod Reddy an der University of Michigan auf. Gemeinsam gelangen den Teams in den vergangenen Jahren bereits wegweisende Durchbrüche auf dem Gebiet des thermischen Transports auf atomarer und molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit knüpft an diese Erfolge an und erweitert das Verständnis um die gezielte Kontrolle des Wärmetransports durch Einzelatomsubstitution.
Das Team in Michigan hat für die Messungen einen neuartigen kalorimetrischen Rastersondenmessfühler entwickelt, der dank eines Niobnitrid-Thermometers eine um eine Größenordnung höhere Auflösung bei kryogenen Temperaturen (ca. -180 °C) erreicht als bisherige Systeme. Durch besonders scharfe Spitzen der Rastersonde und die kalten Temperaturen konnte erstmals ein vernachlässigbar kleiner thermischer Hintergrund realisiert werden – eine wichtige Voraussetzung für die Messung der außerordentlich kleinen Wärmeströme durch einzelne Moleküle.
Matthias Blaschke, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Fabian Pauly und einer der beiden Erstautoren der Studie, reiste im Rahmen des Projekts an die University of Michigan, um in engem Austausch mit den amerikanischen Projektpartnern zusammenzuarbeiten. „Der persönliche Kontakt vor Ort hat es mir ermöglicht, die Rechnungen unmittelbar mit den Messdaten abzugleichen und so die physikalischen Mechanismen hinter der beobachteten Abschwächung des Wärmetransports aufzuklären“, sagt Matthias Blaschke. Konkret zeigen die Augsburger Berechnungen, dass die Substitution durch schwerere Atome die hohe Symmetrie des Moleküls bricht und dadurch konstruktive Interferenzen zwischen den Schwingungsmoden unterdrückt werden. Bei besonders schweren Substituenten wie Brom und Iod treten zudem neue Antiresonanzen in der Transmissionsfunktion auf, die den Wärmefluss zusätzlich verringern.
„Diese langjährige Partnerschaft zwischen Augsburg und Michigan, geprägt von intensivem wissenschaftlichem Austausch, ist die Grundlage für die Durchbrüche, die wir in den letzten Jahren gemeinsam erzielen konnten“, betont Prof. Fabian Pauly.
Bedeutung für zukünftige Anwendungen
Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für das Grundlagenverständnis des Wärmetransports auf atomarer Ebene relevant. Sie liefern auch wichtige Hinweise, wie sich der Wärmetransport in metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs), kovalenten organischen Gerüstverbindungen (COFs) und molekularen thermoelektrischen Materialien gezielt optimieren lässt. In all diesen Materialklassen bilden Moleküle die Verbindungselemente, und die gezielte Substitution einzelner Atome könnte als neues Designprinzip dienen, um thermische Eigenschaften maßzuschneidern.
Förderung:
Die Arbeiten an der Universität Augsburg wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1585 (Projektnummer 492723217, Teilprojekt C02) gefördert. Die Rechnungen wurden auf dem LiCCA-Hochleistungsrechner der Universität Augsburg durchgeführt (DFG-Projektnummer 499211671). Die experimentellen Arbeiten in Michigan wurden vom US Department of Energy (Basic Energy Sciences, Award Number DESC0004871), dem Office of Naval Research (Award Number N00014-24-1-2132), der National Science Foundation (Award Number CBET 2232201) und dem Army Research Office (Award Number W911NF2310260) unterstützt.
Prof. Dr. Fabian Pauly
Theoretische Physik I
Universität Augsburg
Telefon: +49 821 598 – 3249
E-Mail: fabian.pauly@physik.uni-augsburg.de
Publikation:
Yuxuan Luan*, Matthias Blaschke*, Yuji Isshiki, Jian Guan, Fabian Pauly, Edgar Meyhofer & Pramod Reddy, Tuning Phonon Transmission via Single-Atom Substituents. Nature Materials [Volume, Seiten (Jahr)]. (*Geteilte Erstautorenschaft): https://www.nature.com/articles/s41563-026-02568-9
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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